基于RTX51實(shí)時(shí)操作系統的用戶(hù)專(zhuān)用鍵盤(pán)軟件設計

摘要：隨著(zhù)單片機應用的擴展，原有的編程思想難以滿(mǎn)足復雜多任務(wù)系統的要求，為此將操作系統引入單片機軟件設計。文章在用戶(hù)專(zhuān)用鍵盤(pán)軟件開(kāi)發(fā)中引入PTX51實(shí)時(shí)操作系統，介紹了整個(gè)系統的任務(wù)分配，分析了各個(gè)任務(wù)的運行機制，并給出流程圖及主要程序代碼。通過(guò)采用RTX51實(shí)時(shí)操作系統，不僅提高了軟件開(kāi)發(fā)效率，而且控制方案更加科學(xué)合理。
關(guān)鍵詞：RTX51；多任務(wù)；單片機；軟件設計

0 引言
傳統的用戶(hù)專(zhuān)用鍵盤(pán)單片機軟件采用結構化設計方法，主程序循環(huán)執行，依次完成按鍵掃描、按鍵處理、串口命令接收、串口命令處理等任務(wù)。由于任務(wù)的數量少，并且每個(gè)任務(wù)執行的操作簡(jiǎn)單，此種設計可以使得軟件較好地滿(mǎn)足功能要求。但仔細分析，會(huì )發(fā)現程序一些可以改進(jìn)的地方，如：執行時(shí)間短的任務(wù)不得不排隊等待執行時(shí)間長(cháng)的任務(wù)的完成。此外，如果用戶(hù)的設計要求發(fā)生變化(如：專(zhuān)用鍵盤(pán)功能增加、按鍵數量增多、串口協(xié)議復雜化等)，原有的編程思想將很難滿(mǎn)足要求，程序因此無(wú)法進(jìn)行移植升級而不得不重新開(kāi)發(fā)。
基于RTX51實(shí)時(shí)操作系統進(jìn)行單片機軟件設計，可以真正做到各任務(wù)并行執行，同時(shí)，由于程序結構更加科學(xué)合理，可以方便地實(shí)現修改升級，以滿(mǎn)足功能較多的設計要求。

1 用戶(hù)專(zhuān)用鍵盤(pán)簡(jiǎn)介
用戶(hù)專(zhuān)用鍵盤(pán)多使用在工業(yè)控制場(chǎng)合，它由按鍵和指示燈組成，對外采用RS232接口，當某個(gè)按鍵按下時(shí)，鍵盤(pán)將命令(碼值)發(fā)送計算機，同時(shí)，鍵盤(pán)接收來(lái)自計算機的命令(碼值)點(diǎn)亮(熄滅)某個(gè)指示燈，以指示系統工作狀態(tài)，從而實(shí)現快速人機交互。用戶(hù)專(zhuān)用鍵盤(pán)硬件原理框圖如圖1所示。

圖中，可編程邏輯芯片實(shí)現單片機輸出接口擴展，其內部包含多個(gè)輸出鎖存器。工作時(shí)，單片機輸出的地址信號經(jīng)可編程芯片內部譯碼器譯碼產(chǎn)生片選信號，使能不同的輸出鎖存器，將數據信號輸出控制各個(gè)指示燈的亮／滅。

2 RTX51實(shí)時(shí)操作系統介紹
RTX51是德國Keil公司開(kāi)發(fā)的一種應用于MCS51系列單片機的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統，它有兩個(gè)版本，RTX51 Full和RTX51 Tiny，本文采用
RTX51 Tiny進(jìn)行軟件設計。RTX51 Tiny是一個(gè)很小的內核，完全集成在Keil C51編譯器中，它可以很容易地運行在沒(méi)有擴展外部存儲器的單片機系統上，并且僅占用800字節左右的程序存儲空間。
RTX51 Tiny允許最大16個(gè)任務(wù)循環(huán)切換，在實(shí)現上，它采用時(shí)間片輪轉算法，系統每次調度時(shí)，把CPU分配給一個(gè)就緒的任務(wù)，并令其執行一個(gè)時(shí)間片，構成微觀(guān)上輪流運行、宏觀(guān)上并行執行的多任務(wù)效果。RTX51 Tiny支持任務(wù)間的信號傳遞，還能并行地利用中斷功能。
RTX51 Tiny的用戶(hù)任務(wù)主要具有以下幾個(gè)狀態(tài)：
·運行(RUNNING)：任務(wù)正處于運行中。同一時(shí)刻只有一個(gè)任務(wù)可以處于“RUNNING”狀態(tài)。
·準備好(READY)：等待運行的任務(wù)處于“READY”狀態(tài)。在當前運行的任務(wù)退出運行狀態(tài)后，就緒隊列中的任務(wù)根據調度策略被調度執行，進(jìn)入到運行狀態(tài)。
·等待(BLOcKED)：等待一個(gè)事件的任務(wù)處于“BLOCKED”狀態(tài)。如果等待的事件發(fā)生，則此任務(wù)進(jìn)入“READY”狀態(tài)，等待被調度。
RTX51 Tiny內核用以下事件進(jìn)行任務(wù)問(wèn)的通信和同步：
·超時(shí)(TIMEOUT)：由OS-wait函數調用引發(fā)的時(shí)間延時(shí)，持續時(shí)間可由定時(shí)節拍數確定。帶有TIMEOUT值調用OS-it函數的任務(wù)將被掛起，直到延時(shí)結束，才返回到“READY”。
·間隔(INTERVAL)：由OS-wait函數調用引發(fā)的時(shí)間間隔，其間隔時(shí)間可由定時(shí)節拍數確定。帶有INTERVAL值調用wait函數的任務(wù)將被掛起，直到間隔時(shí)間結束，然后返回到READY狀態(tài)。與TIMEOUT不同的是，任務(wù)的節拍計數器不復位，典型應用是產(chǎn)生時(shí)鐘。
·信號(SIGNAL)：系統定義的位變量，可以由系統函數置位或清除?？梢哉{用OS-wait函數暫停一個(gè)任務(wù)并等待從另一任務(wù)發(fā)出的信號，這可以用于協(xié)調兩個(gè)或更多的任務(wù)。如果某個(gè)任務(wù)在等待一個(gè)信號并且信號標志為0，則在收到這個(gè)信號之前，這個(gè)任務(wù)將一直處于掛起狀態(tài)。如果信號標志已經(jīng)被置1，則當任務(wù)查詢(xún)信號時(shí)，信號標志會(huì )被清除，任務(wù)將可以被繼續執行。

3 用戶(hù)專(zhuān)用鍵盤(pán)軟件設計
3．1 任務(wù)分配
根據前面對用戶(hù)專(zhuān)用鍵盤(pán)功能的描述，它主要實(shí)現以下兩個(gè)功能：
(1)按鍵處理；
(2)串口數據處理。
其中功能(1)又可細分為以下三個(gè)任務(wù)：
任務(wù)1：按鍵狀態(tài)掃描；
任務(wù)2：按鍵碼值查詢(xún)；
任務(wù)3：串口發(fā)送；
同樣，功能(2)也可細分為以下兩個(gè)任務(wù)：
任務(wù)4：串口接收；
任務(wù)5：串口數據處理；
以上兩個(gè)功能需要并行運行，而內部的子任務(wù)之間為前級驅動(dòng)后級的關(guān)系，在程序實(shí)際運行過(guò)程中，功能二(2)的任意子任務(wù)可能與功能(1)的任務(wù)1或任務(wù)2或任務(wù)3處于同時(shí)并行運行狀態(tài)，鑒于此，需要在程序設計時(shí)創(chuàng )建5個(gè)子任務(wù)。
采用時(shí)間輪詢(xún)的方式?jīng)Q定了某個(gè)任務(wù)在執行完時(shí)間片后，在下一次執行前需要等待固定的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間與系統的任務(wù)數及每個(gè)任務(wù)的執行時(shí)間密切相關(guān)，為避免數據丟失，串口接收任務(wù)應及時(shí)讀取接收緩存器中的數據。由于中斷處理過(guò)程與正在運行的任務(wù)是相互獨立的，即中斷處理過(guò)程在RTX51系統內核之外和任務(wù)切換規則沒(méi)有關(guān)聯(lián)，因此可以在串口中斷服務(wù)程序中完成串口接收任務(wù)。另外，串口發(fā)送時(shí)要求將整個(gè)按鍵碼值數據包一次性發(fā)送完畢，如果將串口發(fā)送過(guò)程在中斷服務(wù)程序中完成，在SBUF緩存器發(fā)送完一個(gè)字節后觸發(fā)串口發(fā)送中斷標志，再次進(jìn)入中斷服務(wù)程序繼續下一字節數據的發(fā)送，則可以方便地實(shí)現上述要求。根據以上分析，串口接收、串口發(fā)送兩個(gè)子任務(wù)的功能在中斷服務(wù)程序中完成，將系統子任務(wù)的個(gè)數由5個(gè)減少為3個(gè)，調整后的任務(wù)分配如下：
任務(wù)1：按鍵狀態(tài)掃描(TASK SCAN)；
任務(wù)2：按鍵碼值查詢(xún)(TASK KEY)；
任務(wù)3：串口數據處理((TASK LIGHT))；
中斷服務(wù)程序：串口接收、發(fā)送。
任務(wù)間信號關(guān)系如圖2所示。

如圖，任務(wù)1在檢測到按鍵狀態(tài)變化后向任務(wù)2發(fā)送信號，任務(wù)2隨后由等待狀態(tài)進(jìn)入“準備好”狀態(tài)，在本任務(wù)的下一個(gè)時(shí)間片，任務(wù)2開(kāi)始進(jìn)行指定位置按鍵的碼值查詢(xún)，然后通過(guò)串口完成碼值發(fā)送。
同時(shí)，串口數據通過(guò)中斷服務(wù)程序接收，串口數據接收后即發(fā)送信號給任務(wù)3，使后者進(jìn)入“準備好”狀態(tài)，并在下一個(gè)時(shí)間片到來(lái)后進(jìn)行數據處理。
以上三個(gè)任務(wù)中，任務(wù)l(shuí)始終處于“運行”或“準備好”狀態(tài)，任務(wù)2、任務(wù)3大多數時(shí)間處于“等待”狀態(tài)，任務(wù)2、任務(wù)3分別在接收到按鍵狀態(tài)掃描任務(wù)、中斷服務(wù)程序的信號后被“喚起”。另有任務(wù)0，負責創(chuàng )建任務(wù)1、2、3，然后刪除自己。任務(wù)0簡(jiǎn)化程序如下所示：
#define INIT 0／*任務(wù)0：初始化及創(chuàng )建*／
#define SCAN 1／*任務(wù)1：按鍵狀態(tài)掃描*／
#define KEY 2／*任務(wù)2：按鍵碼值查詢(xún)*／
#define LIGHT 3／*任務(wù)3：串口數據處理*／
Init()_task_INIT{
Serial_init()；
Os_create task(SCAN)；
Os_create_task(KEY)；
Os_create_task(LIGHT)；
Os_delete-task(INIT)；
}
以下對中斷服務(wù)程序及各個(gè)任務(wù)分別予以介紹。
3．2 中斷服務(wù)程序
用戶(hù)專(zhuān)用鍵盤(pán)串口接收、發(fā)送中斷服務(wù)程序流程如圖3所示。

由于中斷可能由發(fā)送控制器或接收控制器引起，因此在程序中首先要判斷是接收中斷還是發(fā)送中斷，然后分別進(jìn)行處理。對于接收的數據，程序將其存入接收緩沖區，然后通知串口數據處理任務(wù)進(jìn)行處理。
用戶(hù)專(zhuān)用鍵盤(pán)數據的發(fā)送在中斷服務(wù)程序中完成，上一字節的數據發(fā)送完畢產(chǎn)生中斷，進(jìn)入中斷服務(wù)程序繼續完成下一字節的發(fā)送，而發(fā)送緩沖區中的數據由系統在按鍵碼值查詢(xún)任務(wù)中存入。簡(jiǎn)化的中斷服務(wù)程序如下：

3．3 串口數據處理任務(wù)(TASK_LIGHT)
中斷服務(wù)程序只處理串口緩存器SBUF的讀取或寫(xiě)入，數據一旦接收完畢即存入緩沖區，并在專(zhuān)門(mén)的任務(wù)中進(jìn)行處理。在多任務(wù)系統的用戶(hù)專(zhuān)用鍵盤(pán)程序中，串口數據處理任務(wù)在創(chuàng )建后即被“掛起”，此時(shí)該任務(wù)處于“等待”狀態(tài)，不占用任何時(shí)間片，只有當任務(wù)接收到“喚起”信號后才繼續執行。本程序中“喚起”信號來(lái)自中斷服務(wù)程序。由于中斷處理過(guò)程可以同RTX51任務(wù)互發(fā)信號或交換數據，因此，中斷服務(wù)程序在接收到數據后立即發(fā)送信號量給串口數據處理任務(wù)，使后者處于“準備好”狀態(tài)，當下一時(shí)間片來(lái)到時(shí)，串口數據處理任務(wù)繼續執行，完成數據解析及控制指示燈等操作。由于該任務(wù)為循環(huán)操作，當所有接收的數據處理完畢后，任務(wù)再次進(jìn)入“等待”狀態(tài)，等待下一次串口數據接收后的處理。圖3中，斜體部分即為中斷服務(wù)程序發(fā)送信號至串口數據處理任務(wù)的過(guò)程。串口數據處理任務(wù)的簡(jiǎn)化程序如下：

3．4 按鍵狀態(tài)掃描任務(wù)(TASK SCAN)
按鍵狀態(tài)掃描為一個(gè)循環(huán)執行的任務(wù)，程序通過(guò)不斷地讀取單片機IO口的值獲取每個(gè)按鍵的當前狀態(tài)，然后將當前狀態(tài)值與存儲在內存中的上一次狀態(tài)值進(jìn)行比較，通過(guò)比較結果判斷該按鍵狀態(tài)是否發(fā)生變化。為消除按鍵按下時(shí)抖動(dòng)造成的多次狀態(tài)變化，在掃描到某個(gè)按鍵狀態(tài)發(fā)生改變后，延時(shí)一段時(shí)間后進(jìn)行第二次掃描，如果兩次掃描結果相同則認為該按鍵狀態(tài)確實(shí)發(fā)生改變，并轉入下一步處理。按鍵狀態(tài)掃描任務(wù)流程如圖4所示。

下面給出按鍵狀態(tài)掃描任務(wù)簡(jiǎn)化的源程序：
Scan()_task_SCAN{／*按鍵狀態(tài)掃描任務(wù)*／
…
While(1){
Key_first_scan()；／*第1次掃描*／
If(Keychanged=1){
Os_wait(K_TMO，2，0)／*延時(shí)*／
Key_second_scan()；／*第2次掃描*／
If(first scan=second scan){／*如果兩次掃描的按鍵狀態(tài)一致*／
os_send_signal(2)；／*發(fā)送信號至按鍵碼值查詢(xún)任務(wù)+／
}
}
}
}
程序中，采用等待超時(shí)信號(K_TMO)來(lái)實(shí)現兩次掃描間的延時(shí)，這樣設計的好處是，在延時(shí)期間，由于本任務(wù)處于“等待”狀態(tài)，系統可以進(jìn)行任務(wù)切換，使其它任務(wù)繼續執行，從而在保證系統功能的前提下，提高整個(gè)系統的工作效率。需要注意的是，K_TMO是等待產(chǎn)生超時(shí)信號，當信號產(chǎn)生后，只是將相應的任務(wù)置上“準備好”標志位，任務(wù)并不是立即就能夠運行，任務(wù)需要等到其它任務(wù)輪流執行，到自己的時(shí)間片后才會(huì )執行。這樣，最后的延時(shí)效果是延時(shí)時(shí)間加上正在運行的任務(wù)的執行時(shí)間。在用戶(hù)專(zhuān)用鍵盤(pán)軟件中，同時(shí)可能在運行的任務(wù)只有“串口數據處理”。由于該任務(wù)運行時(shí)間與K TMO延時(shí)時(shí)間比較少很多，因此可以忽略不計，而認為兩次掃描間的延時(shí)時(shí)間就是K_TMO的時(shí)間。假設同時(shí)運行的任務(wù)較多，并且每個(gè)任務(wù)占用的時(shí)間較長(cháng)，則延時(shí)時(shí)間應該取K_TMO加上所有同時(shí)運行任務(wù)的執行時(shí)間之和，即按鍵按下的時(shí)間必須不小于此時(shí)間，才能保證每次按鍵操作都能正確響應。
3．5 按鍵碼值查詢(xún)任務(wù)(TASK KEY)
按鍵碼值查詢(xún)任務(wù)程序流程如圖5所示。

由于發(fā)送數據在串口中斷服務(wù)程序中完成，因此，在將數據存入發(fā)送緩沖區之前必須確認緩沖區中有數據即串口發(fā)送中斷會(huì )被再次觸發(fā)，否則只有將數據寫(xiě)入串口發(fā)送緩存器SBUF直接發(fā)送。
下面給出按鍵碼值查詢(xún)任務(wù)簡(jiǎn)化的源程序：
Encode()_task_KEY{
…
While(1){
Os_wait(K_SIG,0,0)；／*等待鍵碼查詢(xún)信號*／
Keygetcode()；／*獲取鍵碼值*／
If(sendempty=1){／*判斷發(fā)送緩沖區是否為“空”*／
SBUF=keycode；／*發(fā)送緩沖區為”空”，則直接發(fā)送*／
}Else{
Outbuf[i++]=keycode；／*否則，將數據存入緩沖區，*／
／*待上一數據發(fā)送完后自動(dòng)發(fā)送*／
}
}
}

4 結論
實(shí)踐證明，在引入RTX51 Tiny實(shí)時(shí)操作系統后，軟件開(kāi)發(fā)周期縮短，程序結構更加清晰，系統實(shí)時(shí)性和并行性大大增強，開(kāi)發(fā)出的程序具有較高的可維護性和可移植性。